DE102004024573B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung mindestens einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses, sowie Zylinderkurbelgehäuse - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Bearbeitung mindestens einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine,
bei dem eine Zylinderlauffläche
der mindestens einen Zylinderbohrung gemäß einer topographischen Vorgabe
zur Bereitstellung einer dreidimensionalen Konturprofilierung der
Zylinderlauffläche
behandelt wird, wobei die topographische Vorgabe auf Grundlage von
Kaltformverzugmessungen und Warmformverzugberechnungen für die mindestens
eine Zylinderbohrung ermittelt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung mindestens einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses, eine Vorrichtung zur Bearbeitung mindestens einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses sowie ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Zylinderbohrung.
- Zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen in Zylinderbohrungen von Zylinderkurbelgehäusen sind unterschiedliche Verfahren bekannt. So wird eine strukturelle Beschaffenheit der Zylinderlauffläche bspw. durch Oberflächenhonen beeinflußt. Trotzdem können Zylinderlaufflächen von Zylinderbohrungen in Zylinderkurbelgehäusen Unrundheiten von ca. 10 μm aufweisen. Dies ist durch unterschiedliche Steifigkeiten am Zylinderkopf sowie Massenanordnungen am Zylinderkurbelgehäuse bedingt. Nach einem Verschrauben des Zylinderkopfes mit dem Zylinderkurbelgehäuse ergeben sich in der Zylinderbohrung zusätzlich Ungleichförmigkeiten von bis zu 80 μm.
- Bei einer Feinstbearbeitung wird bspw. durch Rohrlupenhonung versucht, diese durch Verzug verursachten Ungleichförmigkeiten auszugleichen. Dabei soll das Rohrlupenhonen Schraubenvorspannkräfte und die Zylinderkopfgeometrie simulieren, so daß nach Entlastung einer Rohrlupenvorrichtung die Zylinderbohrung erheblich unrund ist, um jedoch im Verschraubungsfall exakte Rundheit aufzuweisen. Allerdings ist Rohrlupenhonen sehr zeit- und kostenintensiv.
- Außerdem sind noch weitere Bearbeitungsmaßnahmen für Zylinderlaufflächen bekannt. In der Druckschrift
US 4 393 821 A wird vorgeschlagen, diese mit einem Laserstrahl zu härten. In der DruckschriftDE 42 29 092 C1 ist beschrieben, ebenfalls mit einem Laserstrahl innerhalb einer Zylinderbohrung eine Verengung herzustellen. In der DruckschriftDE 197 43 627 A1 wird die Verengung der Zylinderbohrung mittels eines Kaltverfestigungsverfahrens, wie bspw. Walzen oder Pressen, erzeugt. - In der Druckschrift
DE 198 29 584 C2 wird eine Verengung einer Zylinderlauffläche mittels eines Induktors durch induktive Randschichtenhärtung erstellt. Diese Verengung weist bzgl. einer Erhebung von der Zylinderlauffläche eine hohe Homogenität auf und ist als entlang der Zylinderlauffläche um 360° umlaufende Nase ausgebildet. - Mit vorliegender Erfindung wird angestrebt, Zylinderlaufflächen innerhalb von Zylinderbohrungen von Zylinderkurbelgehäusen für Brennkraftmaschinen derart auszugestalten, daß die Zylinderlauffläche auch bei Betrieb der Brennkraftmaschine nur geringfügige Unrundheiten aufweist, so daß somit bspw. eine Dichtwirkung von Kolbenringen innerhalb der Zylinderbohrung verbessert wird.
- Hierzu wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie ein Zylinderkurbelgehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 vorgeschlagen.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung mindestens einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine ist vorgesehen, daß eine Zylinderlauffläche der Zylinderbohrung gemäß einer topographischen Vorgabe zur Bereitstellung einer dreidimensionalen Konturprofilierung der Zylinderlauffläche behandelt wird. Somit werden gezielt wellenförmige in sich abgesenkte Mehrfachanordnungen unterschiedlicher Profilhöhe an der Zylinderlauffläche erzeugt. Hierbei geschaffene gleitende Übergangsradien an der Zylinderlauffläche bilden sanfte Flächenpreßübergänge.
- Gemäß der topographischen bzw. strukturellen Vorgabe werden auch dreidimensionale Konturprofilierung benachbarter Zylinderbohrungen innerhalb des Zylinderkurbelgehäuses, die in der Regel unterschiedlich auszubilden sind, gegenseitig berücksichtigt. Dabei wird mit der topographischen Vorgabe eine Formänderung der Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung während eines Betriebs der Brennkraftmaschine kompensiert, hierbei wird bzw. werden das gesamte Zylinderkurbelgehäuse bzw. sämtliche Zylinderbohrungen beachtet, so daß ausgehend von der gezielt bereitgestellten dreidimensionalen Konturprofilierung die Zylinderlauffläche dieser mindestens einen Zylinderbohrung bei Betrieb der Brennkraftmaschine unter nachhaltiger Reduzierung von Unrundheiten weitgehend zylindergeometrisch geformt ist.
- Je nach Anforderung kann durch geeignete topographische Vorgaben die dreidimensionale Konturprofilierung auch derart bereitgestellt werden, daß die Zylinderlauffläche bei Betrieb der Brennkraftmaschine im Querschnitt evtl. ideal oval oder elliptisch geformt ist. Durch diese gezielte Ausgestaltung der Zylinderlauffläche wird eine deutliche Verbesserung einer Dichtwirkung von Kolbenringen in der Zylinderbohrung bei Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht.
- Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Zylinderlauffläche durch elektrische Induktion behandelt wird. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, die dreidimensionale Konturprofilierung der topographischen Vorgabe entsprechend in einfacher weise bereitzustellen. Vorrichtungen hierfür können dementsprechend gezielt gesteuert werden.
- Des weiteren ist vorgesehen, daß die topographische Vorgabe auf Grundlage von Kaltformverzugmessungen und Warmformverzugberechnungen für die mindestens eine Zylinderbohrung ermittelt wird. Mit den Warmformverzugberechnungen wird ein Verhalten und somit eine Verformung der mindestens einen Zylinderbohrung bei Betrieb der Brennkraftmaschine in Vergleich zu einer Form der Zylinderbohrung in einem kalten Zustand berücksichtigt.
- In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden Kaltformverzugmessungen für die mindestens eine Zylinderbohrung dann durchgeführt, wenn ein Zylinderkopf auf den Zylinderkurbelgehäuse aufgeschraubt ist. Diese Kaltformverzugmessungen werden bspw. an einem Modell oder Prototyp des Zylinderkurbelgehäuses durchgeführt. Dieses Modell weist Öffnungen auf, durch die in jede Zylinderbohrung eine Meßeinrichtung, bspw. eine Sonde in die mindestens eine Zylinderbohrung einführbar ist. Durch die Maßnahme, die Kaltformverzugsmessungen bei aufgeschraubtem Zylinderkopf durchzuführen, wird berücksichtigt, daß ein und dieselbe Zylinderbohrung selbst in einem kalten Zustand abhängig davon, ob der Zylinderkopf auf dem Zylinderkurbelgehäuse angeschraubt ist oder nicht, unterschiedlich geformte Zylinderlaufflächen aufweist. Mit der Erfindung werden durch die Verschraubung verursachte Unrundheiten entlang der Zylinderlauffläche nachhaltig reduziert.
- Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Bereitstellung einer Feinstbearbeitung der Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung nach einem Oberflächenhonen oder einer anderen geeigneten Bearbeitungsmaßnahme der mindestens einen Zylinderbohrung durchgeführt werden.
- In Ausgestaltung der Erfindung wird die Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung zumindest partiell verengt und/oder gehärtet. Zudem ist vorgesehen, daß die Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung aus Austenit bzw. Grauguß besteht und zumindest partiell in Martensit umgewandelt wird. Alternativ wird das Verfahren für die Zylinderlauffläche einer in der mindestens einen Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses angeordneten Zylinderlaufbuchse durchgeführt. Diese Zylinderlaufbuchse ist bspw. in die mindestens eine Zylinderbohrung eingegossen. Zur Gewichtsreduzierung ist das Zylinderkurbelgehäuse zumindest abgesehen von der mindestens einen Zylinderlaufbuchse aus einem leichtmetallischen Werkstoff geringer Dichte, z.B. einer Aluminium- oder Aluminium-Silizium Verbindung oder dergleichen, hergestellt.
- An der Zylinderlauffläche werden partielle Oberflächenerhebungen erzeugt und es werden durch Vorbearbeitungen gegebene Oberflächenhonstrukturen dabei abgebildet. Mit der Erfindung wird jede Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses durch individuelle Gestaltung von partiellen Verengungen bzw. Oberflächenanhebungen derart gestaltet, daß die Zylinderbohrung bei aufgeschraubtem Zylinderkopf und bei Betrieb der Brennkraftmaschine Kalt- und Warmformverzüge kompensiert. Durch Härtung der Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung, bedingt durch Umwandlung eines Graugusseisengefüges in harten Martensit, ist die Zylinderbohrung bei Aufladung des Verbrennungsmotors hoch belastbar. Des weiteren wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein "blow by" sowie eine Emission von Abgasen reduziert.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird entlang der Zylinderlaufbahn eine hohe Härte und somit ein hoher Verschleißwiderstand der mindestens einen Zylinderbohrung erzeugt. Zusätzlich ist es möglich, durch Lasereinsatz einen oberen Totpunkt der mindestens einen Zylinderbohrung im Millimeterbereich gemäß der topographischen Vorgabe zu gestalten.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung mindestens einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine weist zumindest einen Induktor auf. Mit dieser Vorrichtung ist der zumindest eine Induktor zur Bereitstellung einer dreidimensionalen Konturprofilierung an einer Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung gemäß einer topographischen Vorgabe zu steuern. Hierbei ist es möglich, daß die Vorrichtung mehrere dieser Induktoren aufweist, so daß gleichzeitig mehrere bzw. alle Zylinderbohrungen des Zylinderkurbelgehäuses behandelt werden können. In Ausgestaltung dieser Vorrichtung ist der zumindest eine Induktor innerhalb der mindestens einen Zylinderbohrung zu bewegen. Dabei sind Funktionsparameter des zumindest einen Induktors zu regeln. Eine Regelung erfolgt hierbei unter Berücksichtigung der topographischen Vorgabe bspw. rechnergestützt. Hierbei werden die Funktionsparameter wie Stromfrequenz, Leistung, Heizzeit und dergleichen, in Abhängigkeit einer Position des Induktors innerhalb der mindestens einen Zylinderbohrung punktgenau und individuell eingestellt.
- Bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Zylinderbohrung ist eine Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung gemäß einer topographischen Vorgabe zur Bereitstellung einer dreidimensionalen Konturprofilierung dieser Zylinderlauffläche bearbeitet. Mit der Erfindung wird erreicht, daß Brennkraftmaschinen auch zukünftig harte Emissionsgesetze erfüllen.
- Bei Betrieb der Brennkraftmaschine sind Dichtheitsreserven am Kolbenring bei Bewegung entlang der Zylinderlauffläche erhöht, dies ist auch in Kombination mit reduzierten Leichtlaufölen möglich. Außerdem werden innerhalb der mindestens einen Zylinderbohrung Rauheiten reduziert. Durch erfindungsgemäße Ausgestaltung der mindestens einen Zylinderbohrung unter Anordnung volumetrisch erzeugter geschlossener, erhabener Flächen mit definierten Unrundheiten bzw. dreidimensionalen, geometrischen Konturprofilierungen können deutlich höhere Brennraumdrücke erzielt werden. Insgesamt wird mit der Erfindung eine zuverlässige Langzeitstabilität eines Niveaus und von Konturen innerhalb der Zylinderbohrung durch Erhöhung einer Gefügehärte bzw. Anregung gezielter Drehrichtungswechsel der Kolbenringe zur Reduzierung eines einseitigen Kolbenringverschleißes erzielt.
- Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
- Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Diagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren in bevorzugter Ausgestaltung. - Das in der
1 durch das schematische Diagramm angedeutete Verfahren zur Bearbeitung mindestens einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine, bei dem eine Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung gemäß einer topographischen Vorgabe zur Bereitstellung einer dreidimensionalen Konturprofilierung der Zylinderlauffläche behandelt wird, weist in bevorzugter Ausgestaltung vier nacheinander durchzuführende Schritte2 ,4 ,6 ,8 auf. - In dem ersten Schritt
2 wird ein Zylinderkurbelgehäuse, bei dem die mindestens eine Zylinderbohrung bspw. durch Oberflächenhonen vorbearbeitet ist mit einem Zylinderkopf verschraubt. In dem zweiten Schritt4 wird an der mindestens einen Zylinderbohrung im verschraubten Zustand des Zylinderkurbelgehäuses eine Kaltformverzugsmessung durchgeführt. Hierzu ist bspw. ein Modell oder Prototyp des Zylinderkurbelgehäuses mit zumindest einer Öffnung versehen, durch die ein geeigneter Sensor zur Vermessung der Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung einzuführen ist. Derart ermittelte Werte für die Kaltformverzugsmessung werden durch theoretisch bereitgestellte Warmformverzugsberechnungen zur Berücksichtigung einer Verformung der mindestens einen Zylinderbohrung bei Betrieb der Brennkraftmaschine ergänzt. Darauf basierend werden im dritten Schritt6 topographische Vorgaben ermittelt. - Bei dem letzten Schritt
8 des Verfahrens wird die Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung unter Umsetzung der topographischen Vorgaben bei abgeschraubten Zylin derkopf vorzugsweise durch elektrische Induktion behandelt. Hierbei erfolgt eine Umwandlung der bspw. aus Austenit bestehenden Zylinderlauffläche in Martensit. Dabei wird die Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung zumindest partiell verengt und/oder gehärtet. - Die somit erfindungsgemäß bereitgestellte dreidimensionale Konturprofilierung der Zylinderbohrung hat den Vorteil, daß die mindestens eine Zylinderbohrung bei Betrieb der Brennkraftmaschine bei aufgeschraubtem Zylinderkopf über eine gesamte Höhe entlang einer Längsachse der Zylinderbohrung an jedem Querschnitt der mindestens einen Zylinderbohrung insbesondere eine ideal zylindergeometrische oder je nach Anforderung bspw. eine ideal elliptische Form aufweist.
Claims (12)
- Verfahren zur Bearbeitung mindestens einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine, bei dem eine Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung gemäß einer topographischen Vorgabe zur Bereitstellung einer dreidimensionalen Konturprofilierung der Zylinderlauffläche behandelt wird, wobei die topographische Vorgabe auf Grundlage von Kaltformverzugmessungen und Warmformverzugberechnungen für die mindestens eine Zylinderbohrung ermittelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zylinderlauffläche durch elektrische Induktion behandelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kaltformverzugmessungen bei auf dem Zylinderkurbelgehäuse aufgeschraubtem Zylinderkopf durchgeführt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, bei dem die Kaltformverzugsmessungen an einem Prototyp des Zylinderkurbelgehäuses durchgeführt werden.
- verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das nach einem Oberflächenhonen der mindestens einen Zylinderbohrung durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung zumindest partiell verengt wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung zumindest partiell gehärtet wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung aus Austensit besteht und zumindest partiell in Martensit umgewandelt wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das für die Zylinderlauffläche einer in der mindestens einen Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses angeordneten Zylinderlaufbuchse durchgeführt wird.
- Vorrichtung zur Bearbeitung mindestens einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine, die zumindest einen Induktor aufweist, mit der der zumindest eine Induktor zur Bereitstellung einer dreidimensionalen Konturprofilierung an einer Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung gemäß einer topographischen Vorgabe, die auf Grundlage von Kaltformverzugsmessungen und Wärmeformverzugsberechnungen für die mindestens eine Zylinderbohrung zu ermitteln ist, zu steuern und die mindestens eine Zylinderbohrung zu behandeln ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 10, mit der der zumindest eine Induktor innerhalb der mindestens einen Zylinderbohrung zu bewegen ist und Funktionsparameter des zumindest einen Induktors zu regeln sind.
- Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Zylinderbohrung, bei dem eine Zylinderlauffläche der mindestens einen Zylinderbohrung gemäß einer topographischen Vorgabe, die auf Grundlage von Kaltformverzugsmessungen und Wärmeformverzugsberechnungen für die mindestens eine Zylinderbohrung zu ermitteln ist, zur Bereitstellung einer dreidimensionalen Konturprofilierung bearbeitet ist.
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